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生物化學是生物學的分支學科。它是研究生命物質的化學組成、結構及生命過程中各種化學變化的科學。蛋白質分子結構圖生物化學若以不同的生物為對象,可分為動物生化、植物生化、微生物生化、昆蟲生化等。若以生物體的不同組織或過程為研究對象,則可分為肌肉生化、神經生化、免疫生化、生物力能學等。因研究的物質不同,又可分為蛋白質化學、核酸化學、酶學等分支。60年代以來,生物化學與其他學科融合產生了一些邊緣學科如生化藥理學、古生物化學、化學生態學等;或按應用領域不同,分為醫學生化、農業生化、工業生化、營養生化等。

1 生物化學 -發展簡史

生物化學這一名詞的出現大約在19世紀末、20世紀初,但它的起源可追溯得更遠,

生物化學生物化學-實驗室

其早期的歷史是生理學和化學的早期歷史的一部分。例如18世紀80年代,A.-L.拉瓦錫證明呼吸與燃燒一樣是氧化作用,幾乎同時科學家又發現光合作用本質上是動物呼吸的逆過程。又如1828年F.沃勒首次在實驗室中合成了一種有機物──尿素,打破了有機物只能靠生物產生的觀點,給「生機論」以重大打擊。1860年L.巴斯德證明發酵是由微生物引起的,但他認為必需有活的酵母才能引起發酵。1897年畢希納兄弟發現酵母的無細胞抽提液可進行發酵,證明沒有活細胞也可進行如發酵這樣複雜的生命活動,終於推翻了「生機論」。

生物化學的發展大體可分為3個階段。

第一階段從19世紀末到20世紀30年代,主要是靜態的描述性階段,對生物體各種組成成分進行分離、純化、結構測定、合成及理化性質的研究。其中E.菲舍爾測定了很多糖和氨基酸的結構,確定了糖的構型,並指出蛋白質是肽鍵連接的。1926年J.B.薩姆納製得了脲酶結晶,並證明它是蛋白質。此後四、五年間J.H.諾思羅普等人連續結晶了幾種水解蛋白質的酶,指出它們都無例外地是蛋白質,確立了酶是蛋白質這一概念。通過食物的分析和營養的研究發現了一系列維生素,並闡明了它們的結構。與此同時,人們又認識到另一類數量少而作用重大的物質──激素。它和維生素不同,不依賴外界供給,而由動物自身產生並在自身中發揮作用。腎上腺素、胰島素及腎上腺皮質所含的甾體激素都在這一階段發現。此外中國生物化學家吳憲在1931年提出了蛋白質變性的概念。

 第二階段約在20世紀30~50年代,主要特點是研究生物體內物質的變化,即代謝途徑,所以稱動態生化階段。其間突出成就是確定了糖酵解、三羧酸循環(也稱克雷布斯循環)以及脂肪分解等重要的分解代謝途徑。對呼吸、光合作用以及腺苷三磷酸 (ATP)在能量轉換中的關鍵位置有了較深入的認識。當然,

生物化學生物化學

這種階段的劃分是相對的。對生物合成途徑的認識要晚得多,在50~60年代才闡明了氨基酸、嘌呤、嘧啶及脂肪酸等的生物合成途徑。

 第三階段是從20世紀50年代開始,主要特點是研究生物大分子的結構與功能。生物化學在這一階段的發展,以及物理學、技術科學、微生物學、遺傳學、細胞學等其他學科的滲透,產生了分子生物學,並成為生物化學的主體。

蛋白質和核酸是兩類主要的生物大分子。它們的化學結構與立體結構的研究在50年代都取得了重大進展。蛋白質方面,如β-螺旋結構的提出,測定了胰島素的化學結構以及肌紅蛋白和血紅蛋白的立體結構。核酸方面,DNA 雙螺旋模型的提出打開了生物遺傳奧秘的大門。根據雙螺旋結構,完滿地解釋了DNA的自我複製,在後來的發展中又闡明了轉錄與轉譯的機理,提出了中心法則並破譯出遺傳密碼。

1973年重組DNA獲得成功,從此開創了基因工程。自1977年以後,用這一技術先後成功地製造了生長激素釋放抑制激素、胰島素、干擾素、生長激素等。1982年用基因工程生產的人工胰島素獲得美、英、聯邦德國、瑞士等國政府批准出售而正式工業化。

在生物大分子的合成方面,1965年中國科學家首次合成了結晶牛胰島素,合成的產物經受了嚴格的物理及化學性質和生物學活性的檢驗,證明與天然胰島素具有相同的結構和生物活性。繼美國科學家在1972年人工合成DNA以後,中國科學家又在1981年首先合成了具有天然生物活力的酵母丙氨酸tRNA。英美等國科學家在 DNA序列分析及人工合成方面作出了重大貢獻。DNA自動合成儀的問世,大大簡化了人工合成基因的工作。

2 生物化學 -重大事件

1903年,Neuberg 首先使用「生物化學」一詞;   

1944年,麥克勞德和麥卡蒂證明DNA是遺傳物質;   

1953年,Watson和Crick 提出DNA雙螺旋結構模型;   

1955年,Sanger (英)確定牛胰島素的一級結構;   

1965年,首次人工合成結晶牛胰島素---中國;   

1973年,基因重組技術建立.(美);   

2000年,人類基因組計劃完成;   

2008年,美籍華人錢永健,中國科學家錢學森堂侄,利用水母發出綠光的化學物來追查實驗室內進行的生物反應,錢永健改造綠色熒光蛋白取得多項成果,世界上目前使用的熒光蛋白大多是錢永健實驗室改造后的變種。

3 生物化學 -分類

生物化學若以不同的生物為對象,可分為動物生化、植物生化、微生物生化、昆蟲生化等。若以生物體的不同組織或過程為研究對象,則可分為肌肉生化、神經生化、免疫生化、生物力能學等。因研究的物質不同,又可分為蛋白質化學、核酸化學、酶學等分支。研究各種天然物質的化學稱為生物有機化學。研究各種無機物的生物功能的學科則稱為生物無機化學或無機生物化學。60年代以來,生物化學與其他學科融合產生了一些邊緣學科如生化藥理學、古生物化學、化學生態學等;或按應用領域不同,分為醫學生化、農業生化、工業生化、營養生化等。

4 生物化學 -研究內容

生物體的化學組成 

除了水和無機鹽之外,活細胞的有機物主要由碳原子與氫、氧、氮、磷、硫等結合組成

生物化學蛋白質立體結構

,分為大分子和小分子兩大類。前者包括蛋白質、核酸、多糖和以結合狀態存在的脂質;後者有維生素、激素、各種代謝中間物以及合成生物大分子所需的氨基酸、核苷酸、糖、脂肪酸和甘油等。在不同的生物中,還有各種次生代謝物,如萜類、生物鹼、毒素、抗生素等。

雖然對生物體組成的鑒定是生物化學發展初期的特點,但直到今天,新物質仍不斷在發現。如陸續發現的干擾素、環核苷一磷酸、鈣調蛋白、粘連蛋白、外源凝集素等,已成為重要的研究課題。有的簡單的分子,如作為代謝調節物的果糖-2,6-二磷酸是1980年才發現的。另一方面,早已熟知的化合物也會發現新的功能,20世紀初發現的肉鹼,50年代才知道是一種生長因子,而到60年代又了解到是生物氧化的一種載體。多年來被認為是分解產物的腐胺和屍胺,與精胺、亞精胺等多胺被發現有多種生理功能,如參與核酸和蛋白質合成的調節,對DNA超螺旋起穩定作用以及調節細胞分化等。

新陳代謝與代謝調節控制  

新陳代謝由合成代謝和分解代謝組成。前者是生物體從環境中取得物質,轉化為體內新的物質的過程,也叫同化作用;後者是生物體內的原有物質轉化為環境中的物質,也叫異化作用。同化和異化的過程都由一系列中間步驟組成。中間代謝就是研究其中的化學途徑的。如糖元、脂肪和蛋白質的異化是各自通過不同的途徑分解成葡萄糖、脂肪酸和氨基酸,然後再氧化生成乙醯輔酶A,進入三羧酸循環,最後生成二氧化碳。
  
在物質代謝的過程中還伴隨有能量的變化。生物體內機械能、化學能、熱能以

生物化學乙肝DNA

及光、電等能量的相互轉化和變化稱為能量代謝,此過程中ATP起著中心的作用。
  
新陳代謝是在生物體的調節控制之下有條不紊地進行的。這種調控有3種途徑:①通過代謝物的誘導或阻遏作用控制酶的合成。這是在轉錄水平的調控,如乳糖誘導乳糖操縱子合成有關的酶;②通過激素與靶細胞的作用,引發一系列生化過程,如環腺苷酸激活的蛋白激酶通過磷醯化反應對糖代謝的調控;③效應物通過別構效應直接影響酶的活性,如終點產物對代謝途徑第一個酶的反饋抑制。生物體內絕大多數調節過程是通過別構效應實現的。

生物大分子的結構與功能

生物大分子的多種多樣功能與它們特定的結構有密切關係。蛋白質的主要功能有催化、運輸和貯存、機械支持、運動、免疫防護、接受和傳遞信息、調節代謝和基因表達等。由於結構分析技術的進展,使人們能在分子水平上深入研究它們的各種功能。酶的催化原理的研究是這方面突出的例子。蛋白質分子的結構分4個層次,其中二級和三級結構間還可有超二級結構,三、四級結構之間可有結構域。結構域是個較緊密的具有特殊功能的區域,連結各結構域之間的肽鏈有一定的活動餘地,允許各結構域之間有某種程度的相對運動。蛋白質的側鏈更是無時無刻不在快速運動之中。蛋白質分子內部的運動性是它們執行各種功能的重要基礎。

80年代初出現的蛋白質工程,通過改變蛋白質的結構基因,獲得在指定部位經過改造的蛋白質分子。這一技術不僅為研究蛋白質的結構與功能的關係提供了新的途徑;而且也開闢了按一定要求合成具有特定功能的、新的蛋白質的廣闊前景。

核酸的結構與功能的研究為闡明基因的本質,了解生物體遺傳信息的流動作出了貢獻。鹼基配對是核酸分子相互作用的主要形式,這是核酸作為信息分子的結構基礎。脫氧核糖核酸的雙螺旋結構有不同的構象,J.D.沃森和F.H.C.克里克發現的是B-結構的右手螺旋,後來又發現了稱為 Z-結構的左手螺旋。DNA還有超螺旋結構。這些不同的構象均有其功能上的意義。核糖核酸包括信使核糖核酸(mRNA)、轉移核糖核酸(tRNA)

生物化學生物化學

和核蛋白體核糖核酸(rRNA),它們在蛋白質生物合成中起著重要作用。新近發現個別的RNA有酶的功能。

基因表達的調節控制是分子遺傳學研究的一個中心問題,也是核酸的結構與功能研究的一個重要內容。對於原核生物的基因調控已有不少的了解;真核生物基因的調控正從多方面探討。如異染色質化與染色質活化;DNA的構象變化與化學修飾;DNA上調節序列如加強子和調製子的作用;RNA加工以及轉譯過程中的調控等。

生物體的糖類物質包括多糖、寡糖和單糖。在多糖中,纖維素和甲殼素是植物和動物的結構物質,澱粉和糖元等是貯存的營養物質。單糖是生物體能量的主要來源。寡糖在結構和功能上的重要性在20世紀70年代才開始為人們所認識。寡糖和蛋白質或脂質可以形成糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂。由於糖鏈結構的複雜性,使它們具有很大的信息容量,對於細胞專一地識別某些物質並進行相互作用而影響細胞的代謝具有重要作用。從發展趨勢看,糖類將與蛋白質、核酸、酶並列而成為生物化學的4大研究對象。

生物大分子的化學結構一經測定,就可在實驗室中進行人工合成。生物大分子及其類似物的人工合成有助於了解它們的結構與功能的關係。有些類似物由於具有更高的生物活性而可能具有應用價值。通過 DNA化學合成而得到的人工基因可應用於基因工程而得到具有重要功能的蛋白質及其類似物。  

酶學研究

生物體內幾乎所有的化學反應都是酶催化的。酶的作用具有催化效率高、專一性強等特點。這些特點取決於酶的結構。酶的結構與功能的關係、反應動力學及作用機制、酶活性的調節控制等是酶學研究的基本內容。通過X射線晶體學分析、化學修飾和動力學等多種途徑的研究,一些具有代表性的酶的作用原理已經比較清楚。70年代發展起來的親和標記試劑和自殺底物等專一性的不可逆抑製劑已成為探討酶的活性部位

生物化學克隆羊多利

的有效工具。多酶系統中各種酶的協同作用,酶與蛋白質、核酸等生物大分子的相互作用以及應用蛋白質工程研究酶的結構與功能是酶學研究的幾個新的方向。酶與人類生活和生產活動關係十分密切,因此酶在工農業生產、國防和醫學上的應用一直受到廣泛的重視。
 
生物膜和生物力能學

生物膜主要由脂質和蛋白質組成,一般也含有糖類,其基本結構可用流動鑲嵌模型來表示,即脂質分子形成雙層膜,膜蛋白以不同程度與脂質相互作用並可側向移動。生物膜與能量轉換、物質與信息的傳送、細胞的分化與分裂、神經傳導、免疫反應等都有密切關係,是生物化學中一個活躍的研究領域。

以能量轉換為例,在生物氧化中,代謝物通過呼吸鏈的電子傳遞而被氧化,產生的能量通過氧化磷酸化作用而貯存於高能化合物ATP中,以供應肌肉收縮及其他耗能反應的需要。線粒體內膜就是呼吸鏈氧化磷酸化酶系的所在部位,在細胞內發揮著電站作用。在光合作用中通過光合磷酸化而生成ATP則是在葉綠體膜中進行的。以上這些研究構成了生物力能學的主要內容。

激素與維生素
 
激素是新陳代謝的重要調節因子。激素系統和神經系統構成生物體兩種主要通訊系統,二者之間又有密切的聯繫。70年代以來,激素的研究範圍日益擴大。如發現腸胃道和神經系統的細胞也能分泌激素;一些生長因子、神經遞質等也納入了激素類物質中。許多激素的化學結構已經測定,它們主要是多

生物化學生物化學-實驗器材

肽和甾體化合物。一些激素的作用原理也有所了解,有些是改變膜的通透性,有些是激活細胞的酶系,還有些是影響基因的表達。維生素對代謝也有重要影響,可分水溶性與脂溶性兩大類。它們大多是酶的輔基或輔酶,與生物體的健康有密切關係。

生命起源
 
生物進化學說認為地球上數百萬種生物具有相同的起源並在大約40億年的進化過程中逐漸形成。生物化學的發展為這一學說在分子水平上提供了有力的證據。例如所有種屬的DNA中含有相同種類的核苷酸。許多酶和其他蛋白質在各種微生物、植物和動物中都存在並具有相近的氨基酸序列和類似的立體結構,而且類似的程度與種屬之間的親緣關係相一致。DNA複製中的差錯可以說明作為進化基礎的變異是如何發生的。生物由低級向高級進化時,需要更多的酶和其他蛋白質,基因的重排和突變為適應這種需要提供了可能性。由此可見,有關進化的生物化學研究將為闡明進化的機制提供更加本質的和定量的信息。

方法學

在生物化學的發展中,許多重大的進展均得力於方法上的突破。例如同位素示蹤技術用於代謝研究和結構分析;層析,特別是70年代以來全面地大幅度地提高體系性能的高效液相層析以及各種電泳技術用於蛋白質和核酸的分離純化和一級結構測定;X射線衍射技術用於蛋白質和核酸晶體結構的測定;高解析度二維核磁共振技術用於溶液中生物大分子的構象分析;酶促等方法用於DNA序列測定;單克隆抗體和雜交瘤技術用於蛋白質的分離純化以及蛋白質分子中抗原決定因子的研究等。70年代以來計算機技術廣泛而迅速地向生物化學各個領域滲透,不僅使許多分析儀器的自動化程度和效率大大提高,而且為生物大分子的結構分析,結構預測以及結構功能關係研究提供了全新的手段。生物化學今後的繼續發展無疑還要得益於技術和方法的革新。

5 生物化學 -理論意義

生物化學對其他各門生物學科的深刻影響首先反映在與其關係比較密切的細胞學、

生物化學生物化學-實驗器材

微生物學、遺傳學、生理學等領域。通過對生物高分子結構與功能進行的深入研究,揭示了生物體物質代謝、能量轉換、遺傳信息傳遞、光合作用、神經傳導、肌肉收縮、激素作用、免疫和細胞間通訊等許多奧秘,使人們對生命本質的認識躍進到一個嶄新的階段。

 生物學中一些看來與生物化學關係不大的學科,如分類學和生態學,甚至在探討人口控制、世界食品供應、環境保護等社會性問題時都需要從生物化學的角度加以考慮和研究。

 此外,生物化學作為生物學和物理學之間的橋樑,將生命世界中所提出的重大而複雜的問題展示在物理學面前,產生了生物物理學、量子生物化學等邊緣學科,從而豐富了物理學的研究內容,促進了物理學和生物學的發展。

6 生物化學 -實際應用

生物化學是在醫學、農業、某些工業和國防部門的生產實踐的推動下成長起來的,反過來,它又促進了這些部門生產實踐的發展。

醫學生化  
對一些常見病和嚴重危害人類健康的疾病的生化問題進行研究,有助於進行預防、

生物化學生物化學

診斷和治療。如血清中肌酸激酶同工酶的電泳圖譜用於診斷冠心病、轉氨酶用於肝病診斷、澱粉酶用於胰腺炎診斷等。在治療方面,磺胺藥物的發現開闢了利用抗代謝物作為化療藥物的新領域,如5-氟尿嘧啶用於治療腫瘤。青霉素的發現開創了抗生素化療藥物的新時代,再加上各種疫苗的普遍應用,使很多嚴重危害人類健康的傳染病得到控制或基本被消滅。生物化學的理論和方法與臨床實踐的結合,產生了醫學生化的許多領域,如:研究生理功能失調與代謝紊亂的病理生物化學,以酶的活性、激素的作用與代謝途徑為中心的生化藥理學,與器官移植和疫苗研製有關的免疫生化等。
  
農業生化  

農林牧副漁各業都涉及大量的生化問題。如防治植物病蟲害使用的各種化學和生物殺蟲劑以及病原體的鑒定;篩選和培育農作物良種所進行的生化分析;家魚人工繁殖時使用的多肽激素;餵養家畜的發酵飼料等。隨著生化研究的進一步發展,不僅可望採用基因工程的技術獲得新的動、植物良種和實現糧食作物的固氮;而且有可能在掌握了光合作用機理的基礎上,使整個農業生產的面貌發生根本的改變。
  
工業生化  

生物化學在發酵、食品、紡織、製藥、皮革等行業都顯示了威力。例如皮革的鞣製、脫毛,蠶絲的脫膠,棉布的漿紗都用酶法代替了老工藝。近代發酵工業、生物製品及製藥工業包括抗生素、有機溶劑、有機酸、氨基酸、酶製劑、激素、血液製品及疫苗等均創造了相當巨大的經濟價值,特別是固定化酶和

生物化學小核糖核酸病

固定化細胞技術的應用更促進了酶工業和發酵工業的發展。

70年代以來,生物工程受到很大重視。利用基因工程技術生產貴重藥物進展迅速,包括一些激素、干擾素和疫苗等。基因工程和細胞融合技術用於改進工業微生物菌株不僅能提高產量,還有可能創造新的抗菌素雜交品種。一些重要的工業用酶,如α-澱粉酶、纖維素酶、青霉素醯化酶等的基因克隆均已成功,正式投產後將會帶來更大的經濟效益。

國防方面 
防生物戰、防化學戰和防原子戰中提出的課題很多與生物化學有關。如射線對於機體的損傷及其防護;神經性毒氣對膽鹼酯酶的抑制及解毒等。

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